История развития нанонауки

где N – число оборотов; h – толщина образца.

Для сопоставления степени сдвиговой деформации при кручении со степенью деформации при других схемах деформирования первую обычно преобразовывают в «эквивалентную деформацию» еэкв. Согласно критерию Мизеса:

. (3)

Замечания относительно формулы (2):

1 расчеты с помощью данного уравнения приводят к выводу о том, что деформация должна изменяться линейно от нуля в центре образца до максимального значения на концах его диаметра, однако, экспериментально часто не наблюдается;

2 в процессе деформации исходная толщина образца под воздействием высокого сжимающего давления уменьшается примерно в два раза, поэтому использование в качестве h исходной толщины образца занижает рассчитанные значения деформации по сравнению с истинными значениями.

Оба этих замечания свидетельствуют о том, что степени деформации, рассчитанные с помощью уравнений (1) - (3) лишь примерно равны реальным степеням деформации. Более того, формирование наноструктуры при ИПД происходит под действием не только внешних, но и внутренних напряжений. Вместе с тем между величиной последних и истинными деформациями нет жесткой связи. Подтверждением этого является возможность формирования однородной структуры по всему диаметру образцов, подвергнутых ИПД кручением, хотя в соответствии с формулами (1) и (2) в центре образцов не должно происходить существенного измельчения микроструктуры. В связи с этим при исследовании процессов эволюции микроструктуры в ходе ИПД кручением часто более правильно рассматривать число оборотов, а не величину деформации, рассчитанную с помощью аналитических выражений. Это положение становится особенно важным при обработке труднодеформируемых или хрупких материалов, где возможно проскальзывание между бойками и образцом или растрескивание последнего. Для устранения последних двух нежелательных эффектов необходимо повышение приложенного давления, но это создает технологические трудности в подборе более прочного материала бойков, оптимизации конструкции оснастки [1].

Так же ИПД кручением может быть успешно использован не только для измельчения структуры, но и как метод консолидации порошков [1].

В процессе ИПД кручением толщина заготовок уменьшается в 2-3 раза. В результате соотношение «диаметр-толщина» у деформированных образцов близко к 1:40. При использовании данной схемы требуется очень внимательное отношение к состоянию бойков, которые находятся в экстремальных условиях под воздействием очень высоких давлений и быстро изнашиваются. В результате заготовки, подвергнутые деформации на изношенных бойках, приобретают линзообразную форму. Кроме того, следует обращать внимание на то, что приложенные высокие давления должны обеспечивать силу трения, достаточную для предотвращения проскальзывания между бойками и деформируемой заготовкой [1].

Моделирование течения материала методом конечных элементов при ИПД кручением показало, что величина нормальных напряжений, возникающих в образце в процессе ИПД кручением, значительно изменяется вдоль радиуса образца. Она максимальна в центральной части и постепенно уменьшается по мере приближения к краю образца. При этом происходит изменение знака действующих напряжений, т.е. в центральной части образца действуют значительные сжимающие напряжения, а периферия подвержена влиянию растягивающих напряжений. Нужно отметить, что описанное напряженное состояние характерно как для случая только осадки, так и для случая ИПД кручением. Рассчитанное распределение нормальных напряжений можно объяснить особенностями реализации схемы деформации, а именно, максимальным сопротивлением течению материала в центральных областях и отсутствием ограничений течению материала в радиальном направлении в периферийных областях образца.

Схема ИПД кручением с открытыми бойками в настоящее время успешно используется применительно к различным металлическим материалам, и в том числе чистым металлам, сплавам и интерметаллидам.

Другой схемой ИПД кручением является схема, в которой используются бойки с полостью. В эту полость помещается деформируемый материал.

Размеры полости немного больше размеров заготовки (диаметр образцов 8 мм, а толщина 0,4 - 0,6 мм). Соотношение «диаметр – толщина заготовки» равно 13-20, т.е. в 2 и более раза меньше, чем в случае с открытыми бойками. Преимуществом данной схемы является возможность сохранять размеры деформируемой заготовки в форме небольшого диска.

Применительно к случаю ИПД кручением с использованием бойков с полостью установлено, что существует предельная степень деформации (ε = 50), при превышении которой не происходит дальнейшего измельчения структуры. Увеличение степени деформации вплоть до ε = 10 обеспечивает формирование спектра, соответствующего случайному распределению разориентировок между элементами структуры. Увеличение давления приводит к измельчению, а рост температуры способствует укрупнению микроструктуры. При этом эффект от повышения температуры существенно заметнее.

РКУП

Равноканальное угловое прессование (РКУП) [13,19] в настоящее время является наиболее широко используемым методом ИПД. Как показано на рис. 3, имеющий форму прутка круглого или квадратного сечения образец прессуется в матрице через сопрягающиеся под определенным углом каналы. Деформация сдвигом происходит, когда заготовка проходит через зону их пересечения. Т. к. размеры заготовки в поперечном сечении не изменяются, прессование может производиться многократно с целью достижения исключительно высоких степеней деформации. Эквивалентная деформация (ε), реализуемая в процессе

РКУП, определяется соотношением, включающим угол сопряжения между двумя каналами, Φ, и углом, представляющим собой внешний радиус сопряжения, где пересекаются две части канала, Ψ. Это соотношение выглядит следующим образом [20]:

ε=(N/√3)[2ctg{(Φ/2)+(Ψ/2) +Ψcosec{(Φ/2)+(Ψ/2)}], (3)

где N — это число циклов прессования. Чаще всего, каждый проход придает обрабатываемой заготовке дополнительную ε величиной 1—1.16. В процессе многократно повторяющихся прессований в заготовке накапливается деформация сдвигом, что в результате приводит к образованию в материале УМЗ структуры. В процессе РКУП в обрабатываемых материалах могут быть задействованы различные системы скольжения за счет вращения заготовки вокруг ее продольной оси между каждым проходом [13]. На практике осуществляют четыре основных маршрута прессования: маршрут А — без вращения заготовки, маршруты BA и BC, предполагающие вращение на 90° в разных направлениях или одном направлении, соответственно, и маршрут С, предполагающий вращение на 180° [19]. В работах [13, 20] экспериментально показано, что при использовании оснастки с углом пересечения каналов F = 90° реализация маршрута BC является наиболее эффективной для формирования УМЗ структуры, состоящей из однородных и равноосных зерен, имеющих границы с высокими углами разориентировки. Среди новых направлений в РКУП — обработка труднодеформируемых материалов, которая может быть осуществлена при использовании противодавления или за счет увеличения угла пересечения каналов (Ф > 90°). Экспериментальное и теоретическое моделирование механики РКУ прессования, связанное с исследованиями напряженно-деформированного состояния, контактных напряжений и условий трения [13, 21], позволило сконструировать оснастки для получения методом РКУП больших по размеру заготовок из различных металлов, включая труднодеформируемый титан и его сплавы [22, 23], с однородной ультрамелкозернистой структурой. Были успешно обработаны заготовки титана диаметром до 60 мм и длиной 200 мм. Сильное измельчение микроструктуры в процессе РКУП, как правило, достигается уже при деформации за один или за несколько проходов как в чистых металлах, так и в сплавах. Но получение однородных УМЗ структур с помощью этого метода все еще остается специальной технологической проблемой. При ее решении должны быть учтены особенности обрабатываемого материала, определены оптимальные маршруты и режимы его обработки, а также проведена оптимизация геометрии деформирующего инструмента оснастки [13, 28]. Размер и форма ультрамелких зерен — очень важные, но не единственные характеристики структуры металлов, полученных ИПД. Структура границ зерен — важнейшая характеристика для достижения новых свойств. Современные электронно-микроскопические методы, такие как микроскопия в режиме прямого разрешения или в обратных отраженных электронах, позволили доказать присутствие 70—80% высокоугловых границ в микроструктуре образцов, подвергнутых многократному РКУП или ИПДК в пять и более оборотов при относительно низких температурах (обычно ниже 0.3 Tпл) [15, 22, 29]. Однако ГЗ такого типа формируются только при больших накопленных деформациях ε ≥ 6—8. Среди других важных характеристик микроструктуры металлов, обработанных ИПД, следует также выделить их кристаллографическую текстуру [30] и существование высоких внутренних напряжений, вызванных высокой плотностью дефектов внутри кристаллов и на их границах [13]. Образование неравновесных ГЗ, содержащих многочисленные зернограничные дефекты, — прямое следствие интенсивной деформации, но оно может контролироваться последующими отжигами и/или специальными термомеханическими обработками. Например, анализ микроструктуры УМЗ титана, полученного ИПД [31], методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, показал, что ГЗ искажены и содержат многочисленные дефекты (рис. 5). Более того, существует отклонение в угле разориентировки вдоль одной и той же границы примерно на 5°, которое возможно как результат существования дисклинации в границе. Наблюдения структуры ГЗ при отжиге при температурах 250—300°С (до температуры начала роста зерен) показали перераспределение дислокаций: они перемещаются из объема зерна к области возле ГЗ. Схематическая иллюстрация изменения дефектной структуры представлена на рис. 6 [15]. Схема, приведенная на рис. 6, наглядно показывает, что хотя общая плотность дислокаций в процессе низкотемпературных отжигов понижается, их локальная плотность на ГЗ может возрасти, тем самым увеличивая неравновесность границы. Все это может иметь большое влияние на процессы, протекающие в границах зерен, такие как проскальзывание, диффузия и взаимодействие с решеточными дислокациями [32]. Таким образом, недавние исследования показали, что УМЗ металлы, образованные при ИПД, обладают сложной комплексной микроструктурой, и их микроструктурные характеристики зависят от особенностей проведения ИПД, последующих отжигов и термомеханических воздействий. Эти особенности нужно учитывать при получении объемных наноструктурных материалов с улучшенными свойствами.

 

Перспективные применения объемных наноструктурных материалов

Поиски путей улучшения комплекса свойств объемных НС металлов и сплавов весьма важны для их перспективных применений, т. к. рынки для их использования существуют фактически в каждой отрасли промышленности, где высокие механические свойства (в особенности прочность, удельная прочность и усталостная долговечность) являются решающими. Анализ, проведенный компанией «Металликум», специализирующейся на внедрении наноматериалов, показал существование свыше 100 специфичных рынков их применения, предназначенных для авиационно-космической отрасли, транспорта, медицинских приборов, спортивных товаров, пищевых продуктов, химического производства, электроники и оборонной отрасли [57]. Одним из перспективных направлений, развиваемых сегодня, является разработка особо прочных наноструктурных легких сплавов (алюминия, титана и магния), предназначенных для энергетики, автомобильной и авиационно-космической промышленности. В недавних исследованиях было показано, что достижение нового уровня свойств в промышленных алюминиевых сплавах возможно при применении ИПД в сочетании с традиционными видами термической и/или термомеханической обработки и реализуя за счет этого дополнительные механизмы их упрочнения, такие как твердорастворное и дислокационное упрочнение, а также упрочнение, вызванное дисперсными выделениями вторых фаз — дисперсионное твердение. Так, в работе [58] было показано, что, используя обработку ИПД, осуществленную РКУП, в сочетании с изотермической прокаткой, можно получать заготовки в виде листов из термически неупрочняемого сплава 1560 системы Al-Mg-Mn с уровнем предела текучести и прочности 540 и 635 МПа, соответственно, аналогичным наблюдаемому в высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых сплавах системы Al–Mg–Zn–Cu в состоянии максимального упрочнения. Также была исследована возможность дополнительной обработки заготовок термически упрочняемого сплава АА6061, подвергнутых РКУП, старению и холодной прокатке [59]. Было установлено, что в результате осуществления такой комбинированной обработки предел текучести и предел прочности заготовок сплава достигает, соответственно, 475 и 500 МПа, а относительное удлинение до разрушения составляет 8%. В обоих исследованных УМЗ сплавах прочностные свойства превышали на 30—50% аналогичные свойства сплавов после традиционно используемых методов обработки, а пластичность оставалась на достаточно высоком уровне. Аналогичный прирост прочности при сохранении пластичности демонстрирует и УМЗ жаропрочный алюминиевый сплав АК4-1 после обработки РКУП и последующего старения, как при комнатной, так и при повышенной температуре ~150°С — температуре эксплуатации. В работах [60, 61] на примере алюминиевого сплава 5083 было показано, что оптимизированные режимы термической обработки, проводимой после РКУП, позволяют сформировать УМЗ состояние, обеспечивающее формирование в материале уникального комплекса свойств. При сохранении высокой прочности характеристики пластичности и трещиностойкости обработанного ИПД материала повышаются почти в 2 раза и достигают уровня, характерного для исходного крупнозернистого состояния. В настоящее время одновременно с исследованиями ведется интенсивная работа, направленная на получение изделий из УМЗ алюминиевых сплавов, таких как авиационный крепеж, а также пилотных изделий для авиационной промышленности. Также ведется разработка металлов и сплавов с УМЗ строением, работающих при криогенных температурах [62, 63]. Активно проводятся исследования, направленные на получение и использование наноструктурных материалов для авиационных двигателей нового поколения [64, 65], а также при изготовлении деталей сложной конфигурации в условиях сверхпластичности [66]. Из широкого спектра возможных применений наноструктурных металлов особое внимание уделяется медико-биологическим имплантантам и приборам. Высокие прочностные и усталостные свойства являются основными техническими требованиями металлических медико-биологических материалов, в особенности титана и его сплавов [67], которые имеют отличную биологическую совместимость и высокие биомеханические свойства. Например, для вправления костей целесообразно использование пластин и дисков, полученных из наноструктурного титана, а также хирургических инструментов. Эти изделия наряду с высокой прочностью должны иметь высокую способность сопротивляться изгибу и достаточную пластичность. Были проанализированы различные конструкции имплантантов для соединения костей. Это привело к конструированию и разработке серии наноструктурных титановых имплантантов (рис. 8). К настоящему времени выявлены важные преимущества наноструктурного титана [68] — высокое статическая прочность (σВ ≥ 1000 MПа) и сопротивление усталости — более чем 500 МПа при 2 х 107 циклах и отличная биологическая совместимость. Большие перспективы применения ИПД для повышения механических и функциональных свойств выявлены для группы металлических сплавов с термоупругими мартенситными превращениями и эффектами памяти формы (ЭПФ), среди которых особенно выделяются сплавы никелида титана — TiNi (нитинол) [69]. Эти сплавы имеют большой потенциал для применения в технике и медицине в качестве имплантируемых в организм и длительно функционирующих материалов [70]. В серии работ, проведенных коллективом ИФПМ УГАТУ совместно с исследователями из Екатеринбурга, Москвы и Томска [52, 69—75], были изучены закономерности трансформации структуры и свойств сплавов TiNi, подвергнутых ИПД и последующей термической обработке. Исследования показали, что сплавы TiNi с УМЗ строением, сформированным в процессе ИПД, обладают повышенными характеристиками ЭПФ (обратимой деформацией er, ответственной за эффекты сверхупругости и памяти формы), повышенным реактивным напряжением sr (ответственным за силовые возможности при реализации эффекта памяти формы) и демонстрируют необычное сочетание высокой прочности и пластичности [72—75]. Это делает их весьма перспективными для практического применения [76]. Областью, где функциональность и надежность применяемых инструментов имеет решающее значение, является медицина, в которой нитинол находит широкое применение и незаменим при изготовлении некоторых имплантантов и устройств. Использование УМЗ сплавов Ti-Ni при изготовлении различных медицинских устройств дает ряд преимуществ, включая значительное уменьшение размеров и веса конструкций и повышение их надежности вследствие повышенных прочностных свойств, силовых характеристик ЭПФ и сверхэластичности. Примером практического применения УМЗ сплава Ti-Ni является устройство для клипирования кровеносных сосудов, трубчатых структур и мягкоэластичных тканей, предназначенное для остановки кровотечения при лапароскопических операциях (рис. 9 а) [77]. Клипса из УМЗ TiNi имеет в 2 раза большие величины обратимого ЭПФ и максимального расчетного усилия, развиваемое при срабатывании клипсы, по сравнению с клипсой из крупнозернистого материала. Другим примером применения УМЗ сплавов с эффектом памяти формы является муфта из сплава Ti-Ni с добавками Fe, предназначенная для обеспечения повышенной герметичности при стыковке трубопроводов и деталей, работающих в условиях высоких давлений (рис. 9 б). Муфты, изготовленные из УМЗ сплавов Ti-Ni-Fe, отличаются повышенной прочностью и герметичностью при воздействии осевых нагрузок, крутящего момента и внутреннего давления. Также важно отметить, что применению в медицине НС материалов с уникальным комплексом служебных свойств способствует и «социальный эффект», который выражается в повышении качества оперативных вмешательств, уменьшении их травматичности и, следовательно, существенном сокращении периода реабилитации пациента.